AIP 21. November 2023.

21. November 2023 – Dank des neuesten Katalogs des ESA-Satelliten Gaia konnte ein internationales Team nachweisen, dass Zwerggalaxien aus dem Gleichgewicht geraten sein könnten. Die Studie wirft wichtige Fragen zum kosmologischen Standardmodell auf, insbesondere zum Vorhandensein Dunkler Materie in unserer unmittelbaren Umgebung.

Eine Besonderheit dieser Studie liegt in der Rolle der Dunklen Materie. Erstens verhindert das fehlende Gleichgewicht eine Schätzung der dynamischen Masse der Zwerggalaxien der Milchstraße und damit ihres Anteils an Dunkler Materie. Zweitens: Während im vorherigen Szenario die Dunkle Materie die vermeintliche Stabilität von Zwerggalaxien sicherte, wird sie bei Objekten, die aus dem Gleichgewicht geraten sind, eher hinderlich. Enthielte nämlich der Zwerg bereits viel Dunkle Materie, hätte diese seine anfängliche rotierende Sternscheibe stabilisiert und seine Umwandlung in eine Galaxie mit zufälligen Sternbewegungen, wie sie beobachtet werden, verhindert.

Die beschriebene erst kürzliche Ankunft von Zwerggalaxien und ihre Umwandlung im Halo erklären viele beobachtete Eigenschaften dieser Objekte, insbesondere, warum sie Sterne in großer Entfernung von ihrem Zentrum besitzen. Ihre Eigenschaften scheinen sich auch ohne Dunkle Materie erklären zu lassen – im Gegensatz zur bisherigen Auffassung, dass Zwerggalaxien die am stärksten von Dunkler Materie dominierten Objekte sind. Nun stellen sich viele Fragen, wie zum Beispiel: Wo sind die vielen von Dunkler Materie dominierten Zwerggalaxien, die das kosmologische Standardmodell um die Milchstraße erwartet? Wie können wir auf den Gehalt an Dunkler Materie in einer Zwerggalaxie schließen, wenn kein Gleichgewicht angenommen werden kann? Welche anderen Beobachtungen könnten zwischen den vorgeschlagenen Zwerggalaxien außerhalb des Gleichgewichts und dem klassischen Bild mit von Dunkler Materie dominierten Zwergen unterscheiden?

Man geht seit langem davon aus, dass die Zwerggalaxien rund um die Milchstraße uralte Satelliten sind, die unsere Galaxie seit fast 10 Milliarden Jahren umkreisen. Dazu müssten sie riesige Mengen an Dunkler Materie enthalten, um sie vor den enormen Gezeiteneffekten zu schützen, die durch die Anziehungskraft unserer Galaxie verursacht werden. Es wurde angenommen, dass Dunkle Materie die Ursache für die großen Geschwindigkeitsunterschiede zwischen den Sternen in diesen Zwerggalaxien ist.

Die neuesten Gaia-Daten haben nun ein völlig anderes Bild der Eigenschaften von Zwerggalaxien ergeben. Astronominnen und Astronomen des Pariser Observatoriums PSL, des Centre national de la recherche scientifique (CNRS) und des Leibniz-Instituts für Astrophysik Potsdam (AIP) waren in der Lage, die Geschichte der Milchstraße zu datieren, und zwar dank der Beziehung zwischen der Bahnenergie eines Objekts und seiner Eintrittszeit in den Halo, dem Zeitpunkt, zu dem sie erstmals vom Gravitationsfeld der Milchstraße erfasst wurden: Objekte, die zu früheren Zeiten in die Milchstraße eindrangen, als diese noch weniger massereich war, haben eine niedrigere Energie als solche, die erst kürzlich eintrafen. Die Bahnenergie der meisten Zwerggalaxien ist überraschenderweise deutlich größer als jene der Sagittarius-Zwerggalaxie, die vor 5 bis 6 Milliarden Jahren in den Halo eintrat. Dies deutet darauf hin, dass die meisten Zwerggalaxien erst vor viel kürzerer Zeit, nämlich vor weniger als drei Milliarden Jahren, in den Halo eingetreten sind.

Eine solche jüngste Ankunft bedeutet, dass die nahen Zwerggalaxien von außerhalb des Halos stammen, wo fast alle Zwerggalaxien riesige Reservoirs an neutralem Gas enthalten. Diese gasreichen Galaxien verloren ihr Gas, als sie mit dem heißen Gas des galaktischen Halos zusammenstießen. Die Gewalt der Schocks und Turbulenzen in diesem Prozess veränderte diese Zwerggalaxien völlig. Während die zuvor gasreichen Zwerggalaxien durch die Rotation von Gas und Sternen bestimmt wurden, wird ihre Schwerkraft bei der Umwandlung in gasfreie Systeme durch die zufälligen Bewegungen der verbleibenden Sterne ausgeglichen. Der Prozess, mit dem Zwerggalaxien ihr Gas verlieren, ist so heftig, dass er sie aus dem Gleichgewicht bringt. Das bedeutet, dass die Geschwindigkeit, mit der sich ihre Sterne bewegen, nicht mehr im Gleichgewicht mit ihrer Gravitationsbeschleunigung ist. Die kombinierten Auswirkungen von Gasverlust und Gravitationsschocks durch den Sturz in die Galaxie erklären die große Streuung der beobachteten Geschwindigkeiten der Sterne innerhalb des Überrests der Zwerggalaxie gut.

Originalveröffentlichung
Francois Hammer, Jianling Wang, Gary A Mamon, Marcel S Pawlowski, Yanbin Yang, Yongjun Jiao, Hefan Li, Piercarlo Bonifacio, Elisabetta Caffau, Haifeng Wang, The accretion history of the Milky Way – II. Internal kinematics of globular clusters and of dwarf galaxies, Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Volume 527, Issue 2, January 2024, Pages 2718–2733.
doi.org/10.1093/mnras/stad2922
https://arxiv.org/abs/2311.05677
pdf: https://arxiv.org/pdf/2311.05677

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• Die Milchstraße

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Quelle: DLR 10. August 2023.

10. August 2023 – VERITAS ist eine NASA-Mission, die den Planeten Venus umkreisen wird und dabei Daten aus Infrarotspektroskopie, Radarbildern, Topografie und Interferometrie sammeln soll. Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist dabei ein wichtiger Partner. Derzeit findet als Vorbereitung für die Venusmission, die für das nächste Jahrzehnt geplant ist, in Island eine Feldkampagne statt. Dort kommt der hochentwickelte flugzeuggestützte F-SAR-Radarsensor des DLR zum Einsatz, um solche Arten von Lavaströmen zu untersuchen und zu charakterisieren, die auch auf der Venus zu erwarten sind. Gleichzeitig setzen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des DLR am Boden einen Prototypen des Venus Emissivity Mapper (VEM) ein, um die spektralen Eigenschaften im nahen Infrarot zu erfassen. Die Feldkampagne in Island ist eine gemeinsame Expedition des Jet Propulsion Laboratory (JPL) der amerikanischen Weltraumbehörde NASA, des DLR und eines internationalen Wissenschaftsteams. VERITAS steht für „Venus Emissivity, Radio science, InSAR, Topography, And Spectroscopy“.

Das vulkanische Island ist eine hervorragende Testumgebung für wissenschaftliche Experimente, die zur Vorbereitung zukünftiger Missionen zum Erdnachbarn Venus durchgeführt werden sollen. „Die Charakterisierung und Messung von Ausmaß und Art der vulkanischen und tektonischen Vorgänge auf der Venus sind der Schlüssel zum Verständnis der Evolution von festen Planetenoberflächen und Gesteinsplaneten im Allgemeinen”, sagt Dr. Sue Smrekar, Principal Investigator des JPL für VERITAS. Es war die Magellan-Mission der NASA in den 1990er Jahren, die einen ersten detaillierten „Blick“ auf eine Venusoberfläche ermöglichte, die von Wolken aus Schwefelsäure eingehüllt war.

Die globalen topographischen Karten auf der Basis von Radarmessungen der Magellan-Mission enthüllten damals einen Planeten, dessen Oberfläche während der letzten 500 Millionen Jahre durch Vulkantätigkeit fast vollständig neu gestaltet wurde. Nach Magellan standen noch viele Fragen im Raum. Und aus der Auswertung der Magellan-Daten ergaben sich weitere Fragen: Weshalb haben Erde und Venus, die in Bezug auf Größe und Masse fast gleich sind, in ihrer 4,5 Milliarden Jahre dauernden Entwicklung völlig unterschiedliche Wege eingeschlagen? Was hat sich während der vier Milliarden Jahre vor der letzten globalen Neugestaltung der Oberfläche zugetragen? Und gibt es letztlich noch aktive Vulkane? Diese Fragen sind die Motivation für neue Missionen zur weiteren Erforschung der Venus in den 2030er Jahren – und schon heute für die missionsvorbereitenden Aktivitäten auf Island.

Radar – ein Weg, die Oberfläche der Venus in hoher Auflösung zu sehen
Das DLR-Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme setzt in Island sein F-SAR-Radarsystem ein, um Radarbilder vom Flugzeug aus aufzunehmen und Daten zu gewinnen, die jenen ähneln, die bei späteren Radarmissionen zur Venus (etwa VERITAS der NASA oder EnVision der Europäischen Raumfahrtagentur ESA) erwartet werden.

Daten des Radarsystems F-SAR des DLR werden verwendet, um Oberflächeneigenschaften der Lavaströme abzuschätzen und Algorithmen sowie Methoden zu testen, die für die Erfüllung der Mission VERITAS erforderlich sind. „Unser Forschungsflugzeug vom Typ Dornier 228-212, das in einer Höhe von 6.000 Metern über dem Boden operiert, nimmt Radardaten auf mehreren Frequenzbändern gleichzeitig auf, ähnlich denen, die bei VERITAS sowie EnVision auf der Venus zur Anwendung kommen werden und auch bei Magellan in den 1990ern verwendet wurden”, erklärt Ralf Horn vom Institut für Hochfrequenztechnik und Radarsysteme im DLR.

Darüber hinaus führen die VERITAS-Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler auf Island Bodenmessungen durch und sammeln Gesteinsproben von verschiedenen Arten erstarrter Lava für Laboranalysen. Diese werden später dazu dienen, die Radardaten der Venusmissionen besser interpretieren zu können. Die Daten werden in zwei Messgebieten erhoben, sowohl aus der Luft also auch auf dem Boden. Das erste Messgebiet liegt auf der Halbinsel Reykjanes, auf der sich auch der zuletzt aktive Vulkan Litli-Hrútur befindet. Das zweite Messgebiet liegt im Holuhraun-Gebiet in der Nähe des Vulkans Askja, wo eine Fläche, die noch größer ist als die Insel Sylt mit knapp 100 Quadratkilometern. Holuhraun ist 2014/15 durch einen außerordentlich langen und massereichen Vulkanausbruch entstanden. „Die Flexibilität des DLR-Radarsystems F-SAR zur Erfassung interferometrischer und polarimetrischer Daten wird für die Entwicklung von Algorithmen zur Untersuchung des Planeten Venus von unschätzbarem Wert sein”, betont Dr. Scott Hensley von JPL, Project Scientist für VERITAS und Instrument Project Scientist für EnVision.

Venus Emissivity Mapper (VEM)
Dr. Solmaz Adeli vom DLR-Institut für Planetenforschung leitet das Team, das während der Island-Kampagne vulkanische Oberflächen spektroskopisch untersucht. „Das wird für uns bei der Charakterisierung der mineralogischen Zusammensetzung und des Ursprungs der wichtigen geologischen Terrains auf der Planetenoberfläche der Venus eine enorme Hilfe sein, wenn der Venus Emissivity Mapper (VEM) während der Missionsphase ‚echte‘ Venusdaten aus dem Orbit liefert”, sagt sie. VEM ist eine vom DLR für die Missionen VERITAS der NASA und EnVision der ESA bereitgestellte Spektralkamera, die im nahen Infrarot aufzeichnet. Es ist das erste Instrument, das speziell zum Kartieren der Gesteinsarten und der Mineralogie an der Oberfläche der Venus von der Umlaufbahn aus entwickelt wurde. „Die globale Kartierung der Mineralogie der Venus und die Entschlüsselung ihrer vulkanischen Geschichte und der Veränderung des Planeten über die Zeit ist eines der Hauptziele der Missionen VERITAS und EnVision”, erklärt Adeli weiter.

Ihr Team verwendet den V-EMulator, einen Prototypen der Nahinfrarot-Multispektralkamera VEM, die an Bord von VERITAS mitfliegen wird. Es werden Lavaströme klassifiziert, die von sehr frischem Gelände bis hin zu Gebieten reichen, die im Lauf der Geschichte verändert wurden. „Sehr frisch“ bedeutet für die Forschenden auf Island, dass sie heiße, geschmolzene Lava messen können, Lava, die zwischen dem 10. Juli und Anfang August dieses Jahres aus dem Vulkan Litli-Hrútur ausströmte und momentan abkühlt.

Das Team wird auch Proben erstarrter Lava sammeln, die in das Planetary Spectroscopy Laboratory (PSL) am DLR-Standort Berlin gebracht werden. Dort wird bei Temperaturen wie auf der Venus in einer Simulationskammer ihr Emissionsgrad in unterschiedlichen Wellenlängen analysiert werden. Die spektralen Eigenschaften eines Gesteins bei „normalen“, also auf der Erde vorherrschenden Temperaturen unterscheiden sich von den Werten bei hohen Temperaturen wie auf der Venus. Um die Daten entsprechend interpretieren zu können, ist wichtig, dass man genau versteht, was gemessen wird.

Da es sehr wahrscheinlich ist, dass noch aktive Vulkane auf der Venus existieren, nutzt eine andere Gruppe im VERITAS-Team die bei der Feldkampagne gewonnenen Daten, um die angenommene vulkanische Aktivität auf dem Erdnachbarn besser zu verstehen. „Wir untersuchen das Infrarotsignal aktiver Ausbrüche und suchen nach neuen Lavaströmen”, sagt Nils Müller, Gastwissenschaftler der Freien Universität Berlin am DLR-Institut für Planetenforschung. Die Dyngjusandur-Wüste (eine kalte Sandwüste) und zwei durch Erdspalten ausgetretene Lavaströme – Holuhraun und Thorvaldshraun – sind hervorragende Analogien auf Island, um die Studien vorzubereiten. Diese jüngsten Lavaströme sind groß genug, um auch dann nachweisbar zu sein, wenn sie auf der Venus auftreten würden.

Die zweiwöchige Feldkampagne in Island, die mit Unterstützung der Universität von Island und der Europlanet-Gesellschaft durchgeführt wird, begann am 31. Juli 2023. Das erste untersuchte Gelände ist das abgelegene Vulkangebiet Holuhraun in der Nähe des berühmten Vulkans Askja, der an den größten Gletscher Europas angrenzt, den Vatnajökull. Eingehend untersucht werden mehrere ausgewählte Standorte, die vorab mit Daten der deutschen Radarsatelliten TerraSAR-X und TanDEM-X charakterisiert wurden. Gegenwärtig begibt sich das Team auf die Halbinsel Reykjanes, um den jungen Laven des Litli-Hrútur-Vulkans so nahe wie möglich zu kommen.

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• Planetenerforschung: Konzepte und zukünftige Missionen

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